一种大位移井摩阻扭矩监测方法[发明专利]

(10)申请公布号
(43)申请公布日 (21)申请号 201310510857.3
(22)申请日 2013.10.27
E21B 47/00(2012.01)
(71)申请人中国石油化工集团公司
地址100728 北京市朝阳区朝阳门北大街
22号
申请人中石化胜利石油工程有限公司钻井
工艺研究院
(72)发明人杨春旭 孙铭新 冯光通 唐洪林
董广华 胥豪 刘晓兰 夏文安
刘永亮 徐文浩 曲其勇
(74)专利代理机构东营双桥专利代理有限责任
公司 37107
代理人
侯华颂
(54)发明名称
一种大位移井摩阻扭矩监测方法
(57)摘要
本发明提出了一种大位移井摩阻扭矩监测方
法，首先建立大位移井摩阻扭矩力学分析模型，编
制分析程序或软件；其次进行设计轨道剖面条件
下的摩阻扭矩模拟分析计算；编制不同摩阻系数
条件下下放钻具大钩载荷、上提钻具大钩载荷、空
转提离井底大钩载荷的监测路线图和旋转钻进扭
矩随井深的路线图；现场施工时记录实钻下放钻
具大钩载荷、上提钻具大钩载荷、空转提离井底大
钩载荷和旋转钻进扭矩；最后将实钻记录下的数
据描绘在路线图上，和不同摩阻系数条件下的预
测值进行对比分析。

本发明通过对摩阻扭矩的实
时监测，对引起摩阻扭矩的原因进行深入分析，同
时对井眼清洁程度、井眼质量、钻井参数、底部钻
具组合、钻井液性能变化、减摩降扭工具的使用等
进行响应分析。

(51)Int.Cl.
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书4页 附图5页(10)申请公布号CN 104564019 A (43)申请公布日2015.04.29
C N 104564019
A
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1.一种大位移井摩阻扭矩监测方法，其特征是：
首先，建立大位移井摩阻扭矩监测综合力学模型，编制大位移井摩阻扭矩分析程序或软件；
其次，进行设计轨道剖面条件下的摩阻扭矩模拟分析计算；
根据第二步计算结果，编制不同摩阻系数条件下下放钻具大钩载荷、上提钻具大钩载荷、空转提离井底大钩载荷的监测路线图和旋转钻进扭矩随井深的路线图；
现场施工过程中，按立柱记录实钻下放钻具大钩载荷、上提钻具大钩载荷、空转提离井底大钩载荷和旋转钻进扭矩；
最后，将实钻记录下的数据描绘在路线图上，和不同摩阻系统条件下的预测值进行对比分析。

2.根据权利要求1所述的大位移井摩阻扭矩监测方法，其特征是具体采用如下步骤：
（1）建立大位移井摩阻扭矩力学综合模型，编制大位移井摩阻扭矩分析程序或软件；
（2）利用计算程序，进行设计轨道剖面条件下的摩阻扭矩模拟计算分析；
（3）分别编制套管内和裸眼段不同摩阻系数条件下的上提钻具、下放钻具、空转提离井底的大钩载荷监测路线图和旋转钻进扭矩随井深的路线图；
（4）现场施工过程中，以每个立柱为单元，连续记录每次接立柱上提钻具、下放钻具、空转提离井底时的大钩载荷和提离井底扭矩；记录不同井深条件下旋转钻进扭矩值；
（5）将所记录的值描绘于（3）中大钩载荷监测路线图和旋转钻进扭矩随井深的路线图上，实时对比实际监测曲线与理论计算曲线；
（6）校核并修正摩阻系数，合理确定钻柱与井眼之间的摩阻系数；根据（5）所得到的曲线，对比分析实钻监测曲线和理论监测曲线中的位置，对应于不同井深处，实际下钻工况下的摩阻系数均可反演推算出；同时，起钻工况和旋转钻进工况都可用类似的方法反演推算出全井的摩阻系数。

3.根据权利要求2所述的大位移井摩阻扭矩监测方法，其特征在于，所述的步骤还包括：
（7）预测下部待钻井段的扭矩值、摩阻值和大钩载荷变化曲线，制定相应技术措施。

4.根据权利要求1或2、3所述的大位移井摩阻扭矩监测方法，其特征是所述的建立大位移井摩阻扭矩力学综合模型是综合以下各井段钻柱分析模型基础上建立的，包括：
直井段钻杆段，忽略钻柱刚度的影响建立大位移井软杆模型；造斜段采用刚杆模型
；稳斜段采用软杆模型；加重钻杆段，忽略钻柱刚度的影响建立大位移井刚杆模型；下部钻具组合段建立连续梁模型。

权 利 要 求 书CN 104564019 A
一种大位移井摩阻扭矩监测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及钻井施工监测技术领域的一种大位移井摩阻扭矩监测方法。

背景技术
[0002] 近年来，随着人类对海洋油气勘探开发规模的不断扩大，用海洋钻井平台和人工岛来钻大位移井数量越来越多，而随着大位移井水平位移的不断增大，摩阻扭矩问题已成为大位移井最为突出的制约因素，摩阻扭矩的监测和控制是成功钻成一口大位移井的关键。

[0003] 目前摩阻扭矩的分析仍停留在预测阶段，并且主要用于油气井施工前钻井设备升级改造的必要性分析和目标研究、油气井施工的可行性分析、技术措施和方案的对比分析及优选等。

对于随钻过程中的摩阻扭矩实时监测尚不成熟。

发明内容
[0004] 本发明的目的是鉴于以上分析存在的问题，提供一种随钻过程中的摩阻扭矩实时监测的大位移井摩阻扭矩监测方法。

利用此方法，可以对井眼清洁程度、井眼质量、钻井参数、底部钻具组合、钻井液性能变化、减摩降扭工具的使用等进行响应分析，进而预防严重事故的发生，为待钻井眼的施工和后续大位移井的施工提供指导，保证整个大位移井钻井的成功顺利实施。

[0005] 本发明的总体技术方案是：
首先，建立大位移井摩阻扭矩监测综合力学模型，编制大位移井摩阻扭矩分析程序或软件；
其次，进行设计轨道剖面条件下的摩阻扭矩模拟分析计算；
根据第二步计算结果，编制不同摩阻系数条件下下放钻具大钩载荷、上提钻具大钩载荷、空转提离井底大钩载荷的监测路线图和旋转钻进扭矩随井深的路线图；
现场施工过程中，按立柱记录实钻下放钻具大钩载荷、上提钻具大钩载荷、空转提离井底大钩载荷和旋转钻进扭矩；
最后，将实钻记录下的数据描绘在路线图上，和不同摩阻系统条件下的预测值进行对比分析。

[0006] 上述大位移井摩阻扭矩监测方法具体采用如下步骤：
（1）建立大位移井摩阻扭矩力学综合模型，编制大位移井摩阻扭矩分析程序或软件；
（2）利用计算程序，进行设计轨道剖面条件下的摩阻扭矩模拟计算分析；
（3）分别编制套管内和裸眼段不同摩阻系数条件下的上提钻具、下放钻具、空转提离井底的大钩载荷监测路线图和旋转钻进扭矩随井深的路线图；
（4）现场施工过程中，以每个立柱为单元，连续记录每次接立柱上提钻具、下放钻具、空转提离井底时的大钩载荷和提离井底扭矩；记录不同井深条件下旋转钻进扭矩值；
（5）将所记录的值描绘于（3）中大钩载荷监测路线图和旋转钻进扭矩随井深的路线图
上，实时对比实际监测曲线与理论计算曲线；
（6）校核并修正摩阻系数，合理确定钻柱与井眼之间的摩阻系数；根据（5）所得到的曲线，对比分析实钻监测曲线和理论监测曲线中的位置，对应于不同井深处，实际下钻工况下的摩阻系数均可反演推算出；同时，起钻工况和旋转钻进工况都可用类似的方法反演推算出全井的摩阻系数。

[0007] 上述步骤还包括：
（7）预测下部待钻井段的扭矩值、摩阻值和大钩载荷变化曲线，制定相应技术措施。

[0008] 上述方案中所述的建立大位移井摩阻扭矩力学综合模型是综合以下各井段钻柱
分析模型基础上建立的，包括：直井段钻杆段，忽略钻柱刚度的影响建立大位移井软杆模型；造斜段采用刚杆模型；稳斜段采用软杆模型；加重钻杆段，忽略钻柱刚度的影响建立大位移井刚杆模型；下部钻具组合段建立连续梁模型。

[0009] 本发明的优点是：
为钻大位移井提供了摩阻扭矩实时监测方法，和传统的摩阻扭矩预测分析相比较，此方法拓宽了摩阻扭矩的应用范围。

在钻进过程中，通过实时监测记录大钩钩载和旋转钻进扭矩，和预测值进行对比分析，可以实现对井眼清洁程度、井眼质量、钻井参数、底部钻具组合、钻井液性能、减摩降扭工具的使用等的响应分析。

为保证大位移井安全施工提供了最直接的依据，从而为摩阻扭矩的用途注入了新的工程意义，可以为同区块井的后续施工提供经验摩阻系数。

附图说明
[0010] 图1大位移井摩阻扭矩分析模型图
图2某大位移井二开摩阻路线图，其中:
CSG0.10OPH0.10Trip in---套管内摩阻系数0.10，裸眼摩阻系数0.10，下钻大钩载荷，kN；
CSG0.15OPH0.20Trip in---套管内摩阻系数0.15，裸眼摩阻系数0.20，下钻大钩载荷，kN；
CSG0.25OPH0.30Trip in---套管内摩阻系数0.25，裸眼摩阻系数0.30，下钻大钩载荷，kN；
CSG0.30OPH0.35Trip in---套管内摩阻系数0.30，裸眼摩阻系数0.35，下钻大钩载荷，kN；
CSG0.10OPH0.10Trip Out---套管内摩阻系数0.10，裸眼摩阻系数0.10，起钻大钩载荷，kN；
CSG0.15OPH0.20Trip Out---套管内摩阻系数0.15，裸眼摩阻系数0.20，起钻大钩载荷，kN；
CSG0.25OPH0.30Trip Out---套管内摩阻系数0.25，裸眼摩阻系数0.30，起钻大钩载荷，kN；
CSG0.30OPH0.35Trip Out---套管内摩阻系数0.30，裸眼摩阻系数0.35，起钻大钩载荷，kN；
Rotate Off Bottom Hook Load---提离井底大钩载荷，kN。

[0011] 图3某大位移井二开扭矩路线图，其中：
CSG0.10OPH0.10---套管内摩阻系数0.10，裸眼摩阻系数0.10，旋转钻进地面扭矩，N.m；
CSG0.10OPH0.15---套管内摩阻系数0.10，裸眼摩阻系数0.15，旋转钻进地面扭矩，N.m；
CSG0.15OPH0.20---套管内摩阻系数0.15，裸眼摩阻系数0.20，旋转钻进地面扭矩，N.m；
CSG0.20OPH0.25---套管内摩阻系数0.20，裸眼摩阻系数0.25，旋转钻进地面扭矩，N.m；
CSG0.25OPH0.30---套管内摩阻系数0.25，裸眼摩阻系数0.30，旋转钻进地面扭矩，N.m；
CSG0.30OPH0.35---套管内摩阻系数0.30，裸眼摩阻系数0.35，旋转钻进地面扭矩，N.m；
图4某大位移井二开摩阻实时监测图，其中:
Actual Tripping In Hook Load---实钻下钻大钩载荷，kN；
Actual Tripping Out Hook Load---实钻起钻大钩载荷，kN；
Actual Rotate Off Hook Load---实钻提离井底大钩载荷，kN。

[0012] 图5某大位移井二开扭矩实时监测图，其中：
Actual Rotate On---实钻旋转钻进地面扭矩，N.m；
Actual Rotate Off---实际提离井底地面扭矩，N.m。

具体实施方式
[0013] 下面结合附图1～5对本设计方法做进一步说明。

[0014] （1）针对大位移井的特点，将大位移井管柱摩阻扭矩的计算分为五个部分，并建立相应的力学模型：直井段钻杆段，由于井眼曲率变化小，忽略钻柱刚度的影响建立大位移井软杆模型；造斜段井眼曲率较大，钻柱容易发生弯曲引起较大的弯曲应力，为了使计算更加精确，采用刚杆模型；稳斜段，井眼曲率变化小，钻柱一般为抗弯刚度小的钻杆，因此采用软杆模型；加重钻杆段，忽略钻柱刚度的影响建立大位移井刚杆模型；
下部钻具组合段，考虑稳定器的作用建立连续梁模型（如图1），建立了上述摩阻扭矩力学综合模型后，就可以对不同的钻柱结构段采用不同的计算模型，进行数值计算编程，形成成熟的计算程序或软件；
（2）利用所编写的计算程序或者选用现有的计算软件，进行摩阻扭矩模拟计算分析；
（3）分别计算套管内和裸眼段不同摩阻系数条件下的上提钻具、下放钻具的大钩载荷监测路线图（如图2,分别计算了套管内摩阻系数0.1，裸眼内摩阻系数0.1；套管内摩阻系数0.15，裸眼内摩阻系数0.2；套管内摩阻系数0.25，裸眼内摩阻系数0.3；套管内摩阻系数0.3，裸眼内摩阻系数0.35对应的起钻和下钻钩载）和旋转钻进扭矩路线图（如图3，分别计算了套管内摩阻系数0.1，裸眼内摩阻系数0.1；套管内摩阻系数0.1，裸眼内摩阻系数0.15；套管内摩阻系数0.15，裸眼内摩阻系数0.2；套管内摩阻系数0.2，裸眼内摩阻系数0.25；套管内摩阻系数0.25，裸眼内摩阻系数0.3；套管内摩阻系数0.3，裸眼内摩阻系数0.35对应的旋转钻进扭矩值）；
（4）以每个立柱为单元，连续记录每次接立柱时上提钻具、下放钻具、旋转提离井底时的大钩载荷和提离井底扭矩；记录不同井深条件下旋转钻进扭矩值；
（5）将所记录上提钻具大钩钩载和下放钻具大钩钩载值标注于（3）中摩阻监测路线图上（如图4），将旋转提离井底时的扭矩和旋转钻进扭矩值标注于（3）中的扭矩路线图上（如图5），实时对比实际监测曲线与理论计算曲线；
（6）校核并修正摩阻系数，合理确定钻柱与井眼之间的摩阻系数；根据（5）所得到的曲线，对比分析实钻监测曲线和理论监测曲线中的位置，如图4中井深1800m处，实钻下钻大钩载荷曲线和理论下钻大钩载荷曲线（套管内摩阻系数0.15，裸眼摩阻系数0.20）的曲线接近重合，就可以反演推算出井深1800m处实际下钻工况下的摩阻系数为：套管内0.15，裸眼内0.20，对应于不同井深处，实际下钻工况下的摩阻系数均可反演推算出；同时，起钻工况和旋转钻进工况都可用类似的方法反演推算出对应的摩阻系数；
（7）预测下部待钻井段的扭矩值、摩阻值和大钩载荷变化曲线，制定相应技术措施。

图1
图2
图3
图4
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11图5说 明 书 附 图CN 104564019 A。